科大研发创新「仿生软骨纳米涂层」技术 有望大幅延长电池寿命

香港科技大学（科大）带领的研究团队近日在电池储能技术上取得重大突破，有望大幅延长智能电话及电动车电池的寿命。团队以人体软骨为灵感，研发出创新的「仿生软骨纳米涂层」，可从源头有效抑制电池正极物料的老化与损耗。新技术不仅能让电池在经历千次充放电后仍维持极高容量，更为下一代高稳定性镍基锂电池的产业应用开辟崭新路径。

是次研究由科大化学及生物工程学系讲座教授陈国华教授带领，团队成员包括科大化学及生物工程学系研究助理教授兼科大博士毕业生刘强博士，以及化学及生物工程学系博士后研究员刘雨桐博士。部分工作是刘雨桐博士在香港理工大学（理大）攻读博士期间完成。该研究已于国际顶尖学术期刊《自然─纳米技术》上发表，论文题为「透过记忆聚合物纳米涂层在易碎电池正极活性物料中实现应力的动态去局域化」。

「人类软骨」启发高能量电池技术突破

锂离子电池广泛应用于智能电话、电动车及各类电子产品。随着全球对高能量电池的需求与日俱增，高镍正极材料被视为电池发展的重要方向。然而，这类材料在充电及放电的过程中，会因为锂离子的频繁嵌入及脱出，而导致体积变化，并产生显著的内部应力，继而导致「晶间开裂」（intergranular cracking），长远影响电池容量和使用寿命。

为解决此难题，研究团队从人体关节中的软骨组织得到灵感。团队表示，人体软骨能改变形态分散外来应力，保护骨骼免受损伤。团队将这机制应用在电池的纳米设计上，研发出兼具强度及变形能力的聚合物涂层p(BA-V4D4)，并透过「引发式化学气相沉积」（initiated Chemical Vapour Deposition，iCVD）先进技术，在电池的初级颗粒表面沉积一层厚度约14纳米、均匀覆盖的聚合物层，为电池脆弱的内部晶界建构如人体软骨般具缓冲作用的保护层，从而维持电池长时间循环的稳定性。

论文的共同通讯作者、刘强博士解释道：「团队利用柔性固体应变所产生的应力去局域化机制，成功抑制『晶间开裂』。团队对电池聚合物的结构进行了精准设计，在柔韧性与强度之间取得平衡。利用团队研发的iCVD技术，可将纳米涂层融入宽度仅为10至20纳米、深度达4,000纳米的狭窄晶界通道内，发挥有如人体软骨般的反复缓冲功用。」

论文的共同第一作者、刘雨桐博士表示：「传统方法无法深入正极物料的晶界，亦难以精准调控聚合物的机械特性。iCVD技术则能将反应物无缝传输至这些边界，并形成保护涂层。我们已成功将此技术应用于高镍三元及商用磷酸铁锂（LiFePO₄）材料上，充分展示其广泛的应用潜力。」

促进固态电池发展及产业应用

论文的共同通讯作者、陈国华教授回顾是次研究并补充说：「早于2005年我在麻省理工学院学术访问期间，便诞生了将CVD聚合物涂层应用于能量储存材料的构思。当时，CVD聚合物涂层已成功应用于药物颗粒的控制释放。我们很自豪能成为首支率先在锂离子电池材料上应用CVD技术的研究团队，并证明了此技术除了可用于导电聚合物（团队早年于《自然─能源》发表的研究），更可应用于其他功能性聚合物材料，例如是次采用的 p(BA-V4D4)。」

展望未来，陈教授表示，团队正研究把有关技术应用在固态电池上，并进一步解决高能量密度和安全性之间的关键技术挑战。另外，团队亦正积极将技术量产，以实现1,000公斤级别涂层颗粒量产为目标，支持3C电子产品、电动车及电动垂直起降飞行器（eVTOL）等领域的产业应用。

是次研究为本港及内地多所大学及机构的专家们，在材料合成、表征分析及数据科学等领域，共同完成的重要科研成果。共同第一作者为刘雨桐博士（理大／科大）、左文华教授（厦门大学）及王伟博士（理大博士毕业生）。主要贡献学者包括俞海龙博士与黄学杰教授（中国科学院物理研究所）、刘翔教授（北京航空航天大学）、阮海辉教授及林聪博士（理大）、张凯博士（中国科学院高能物理研究所）、杜柯教授（中南大学），以及潘锋教授（北京大学深圳研究生院）。